Космической радиацией наполнено все межзвездное и межпланетное пространство. Это результат излучения звезд, аккреционных дисков черных дыр, нейтронных звезд и пульсаров, взрывов сверхновых… Практически любой катаклизм во Вселенной является причиной радиационных выбросов. Радиация является проблемой для космонавтов и электроники, но для ученых она является подарком, позволяющим узнать много подробностей о космосе. Продолжаем наш обзор научных приборов, применяемых для исследования Солнечной системы.
Ранее мы узнали как изучают планеты оптическими средствами.
Гамма-спектроскопия
Гамма диапазон, в принципе, тоже является оптикой, т.к. гамма-лучи — это высокоэнергичные фотоны. Но гамма-спектроскопия в планетологии изучает не те лучи, которые выбрасываются из звезд и черных дыр, а те, которыми фонят планеты и другие безатмосферные или слабоатмосферные космические тела.
Планеты и астероиды начинают излучать в гамме под воздействием бомбардировки более массивных частиц: высокоэнергетичных протонов, альфа- бета- лучей и нейтронов. Заряженные частицы ударяют в поверхностный грунт и тот начинает излучать в гамме. И, что характерно, каждый химический элемент излучает в своем диапазоне. То есть, нам достаточно провести гамма-спектрометром над поверхностью, чтобы понять из чего она состоит. Так мы поймем только химический состав, а не геологический, но дополнив его информацией, например, с инфракрасных спектрометров, и с камер видимого диапазона, сможем получить более наглядную картину.
Так, с помощью гамма-спектрометрии ученые узнали об относительно высоких концентрациях ториевых, железных и титановых руд на Луне.
С помощью такого прибора на Mars Odyssey удалось обнаружить на Марсе два района с аномально высоким содержанием ториевых и, вероятно, урановых руд. Вполне возможно, там когда-то происходили процессы как в Африке, с образованием естественного атомного реактора. Правда другие на основании тех же данных говорят об термоядерной войне… Так или иначе это обнадеживающая находка, поскольку она означает, что атомные электростанции будущих марсианских поселенцев могут работать на местном сырье.
Нейтронные детекторы
Космические нейтроны, в отличие от альфа- и бета- частиц, не полностью поглощаются грунтом. Часть нейтронов отражается от поверхности каменистых тел, при этом они успевают погрузиться в грунт примерно на полметра-метр. Вернувшиеся с поверхности нейтроны, как правило, уже движутся гораздо медленнее, скорость и энергия их зависит от того, через что они прошли в грунте. Точнее, с их помощью измеряется только один параметр — содержание водорода.
Водород, за счет легкости атомов, эффективно замедляет нейтроны при упругих столкновениях, и эта эффективность напрямую зависит от его концентрации. При этом, в свободной форме, водород в грунте не задержится, особенно там где атмосферное давление стремится к нулю. Чтобы сохранить водород в грунте его надо связать на химическом уровне, и лучшим средством остается вода. Таким образом, пролетая над поверхностью и собирая данные о скоростях «взлетающих» нейтронов, можно определить примерное содержание воды в грунте. Разумеется, чем ниже мы пролетим тем точнее данные будут. Спутники пока дают погрешность плюс-минус сотня километров.
Именно с помощью российских приборов LEND и HEND, были получены данные о распределении водорода/воды в приповерхностных грунтах Луны и Марса.
И если марсианские данные уже дважды подтвердились, то лунные еще ждут своей проверки. На Марсе в приполярный регион высадился посадочный модуль Phoenix, и там где HEND обещал до 70% воды в грунте, прямо под пылью нашелся пласт водяного льда. А в кратере Гейла, где работает марсоход Curiosity, HEND обещал 5%, в грунте содержание воды колеблется от 3% до 5%, и лишь изредка попадаются шестипроцентные «оазисы».
После такого успеха HEND, его брата DAN «усадили» прямо на марсоход, и он теперь собирает данные не с высоты 300 км, как предшественник, а 0,5 м. Правда глубина зондирования по-прежнему не превышает 1 метра, зато пространственное разрешение увеличилось с десятков километров, до сантиметров.
Впрочем, несмотря на успехи нейтронных детекторов, окончательного доверия им нет. Ледники на Луне еще ждут своего первооткрывателя, и космические агентства, как и частные компании все больше внимания обращают на полюса Луны. Хотя там концентрация влаги, по данным спутников, не более 4%.
Радары
Зондирование планет в радиодиапазоне начали проводить еще с Земли. Много информации дал радиотелескоп Аресибо, диаметром в 300 метров. Например, еще в 80-е годы, он обнаружил на полюсах горячего Меркурия, странный отблеск, который мог дать водяной лед. Ученые долго не могли поверить, в то, что на самой близкой к Солнцу планете, могут существовать ледники. Пришлось ждать результатов зонда Messenger, который при помощи нейтронного детектора и лазерной локации, смог подтвердить факт наличия льда.
Впечатляющие картины показал Аресибо во время суперлуния 2013 г. На Луне с его помощью удается разглядеть последствия катастрофических лавовых потоков и «наводнений».
Если совместить эти снимки с картами распределения минералов, полученных с орбитальных спектрометров, то можно составить подробную геологическую карту местности, и возможно реконструировать эволюцию поверхности. Хотя странно, что до сих пор на Луну не отправляли спутник с мощным радаром.
Зато три радарных спутника летало к Венере. Иного способа изучать поверхность с орбиты этой планеты нет. «Венера-15 и -16» провели картографирование северного полюса в 80-е гг., а потом, в 90-е Magellan составил полную карту.
Сейчас подобным делом занят Cassini на орбите Сатурна. Здесь радар используется чтобы проникнуть сквозь плотную атмосферу Титана. В ходе многочисленных пролетов, космическая станция постепенно приоткрывает вечную пелену и открывает науке этот поистине удивительный мир, в чем-то невероятно похожий на земной, а в чем-то разительно отличающийся.
Многократная радарная съемка позволяет не просто картографировать, но и наблюдать динамические процессы. Так, таинственно появившийся, а потом исчезнувший остров сочли признаком происходящих сезонных изменений. Возможно это был ледяной айсберг, обрушившийся в метановое море.
Другие диапазоны волн и другая конструкция радара, позволяют забираться и глубже. На орбите Марса работают два космических аппарата, оборудованные «эхолотами», проникающими в кору планеты на 1-3 километра.
Исследование европейского космического аппарата Mars Express позволило получить информацию о мощности и структуре полярных льдов, отличить углекислотный лед от водяного и оценить запасы воды.
Его же сканирование позволило обнаружить древние астероидные кратеры, погребенные сотнями метров вулканической лавы и осадочных накоплений марсианского океана, в северном полушарии планеты. Ранее ученые неоднократно отмечали видимую разницу в количестве метеоритных кратеров в южном и северном полушариях Марса, и Mars Express позволил разгадать загадку. Если у кого-то еще оставались надежды на марсиан, зарывшихся от вакуума, засухи и мороза в подмарсианский «Зион», то у меня для них плохие новости…
На аппарате New Horizons тоже установлены приборы для радарного исследования, но размеры антенны уступают многим межпланетным коллегам, поэтому исследование сконцентрируется на поиске и изучении атмосферы.
Я с нетерпением жду результатов радарного просвечивания ядра кометы 67P/Чурюмова-Герасименко, которое на пару проделывали аппараты Rosetta и Philae.
Радар привезли даже на Луну. Китайский «Нефритовый заяц» успел пройти всего сотню метров, но даже на ней ему удалось получить интереснейшие профили лунной поверхности, на глубину около четырехсот метров. В будущем, такая информация будет жизненно необходима для строительства лунной станции, базы или поселения.
Альфа-протонная спектроскопия
Когда дело доходит до исследования космических тел посадочными аппаратами, то практически не обходится без трогательных моментов альфа-протонной рентгенофлоуресцентной спектроскопии.
Приборы типа APXS (Alpha Particle X-Ray Spectrometer) устанавливались на все марсоходы NASA. APXS имеется на посадочном аппарате Philae на ядре кометы 67P/Чурюмова-Герасименко. Был похожий прибор (РИФМА) и на советских луноходах.
Принцип работы метода напоминает гамма-спектроскопию, за тем исключением, что датчик имеет свой собственный источник заряженных частиц (какой нибудь радиоактивный изотоп), прежде всего альфа-лучей. Радиацией облучается исследуемый образец и он начинает светиться в рентгеновском диапазоне.
Причем каждый химический элемент светится по-своему, что и позволяет получать спектры элементного состава.
Это далеко не исчерпывающий обзор оборудования для исследования Солнечной системы. Как правило, на межпланетные аппараты ставятся и астрофизические приборы, для регистрации энергичных частиц, межпланетной радиации, плазмы и пыли. Межпланетные перелеты позволяют изучать еще и космическое пространство, взаимосвязи Солнца, планет, и межзвездной среды, но это уже другая история.
